立轴风力机气动性能与数值模拟研究

发布时间：2020-08-16 21:14

【摘要】： 随着环境问题的日益突出,化石能源的渐趋枯竭,迫切需要大规模进行可再生能源的开发与利用。风力发电作为目前技术最成熟与最具规模开发的新能源,日益受到关注和重视。相比于水平轴风力机(HAWT)研究的深入,对立轴风力机(VAWT)的研究甚少。本文将采用理论计算与数值模拟相结合的方法,研究立轴风力机风轮的气动性能和绕流特性。主要包括四个部分:立轴风力机气动力与数值模拟基本理论、风轮气动性能计算、翼型数值模拟、风轮数值模拟。 1)通过建立叶片与风轮的运动坐标系,详细分析了作用于风轮和叶片的气动力。阐述了单盘面多流管模型和双盘面多流管模型,给出了速度诱导因子的迭代求解算法。介绍了计算流体动力学(CFD)的基本理论及离散方法,分析比较了常用速度—压力修正方法的优缺点。 2)应用流管理论并结合Gormont动态失速模型与Masse修正方法,对Φ-17m型风力机风轮气动性能进行了计算和分析,验证了流管模型的准确度和适用叶尖速比范围。取风轮赤道半径处叶素、单个叶片和风轮为研究对象,详细研究分析了风轮气动参数对其气动性能的影响规律。 3)采用不同的数学模型模拟了NACA0018翼型±30 o攻角范围内翼型绕流特性,获得翼型升、阻力系数与气流分离特性。分析了绕翼型气流分离的各种状态与过渡过程,并对气流分离点随攻角的变化规律进行了讨论。 4)采用SST k ?ω两方程湍流模型,结合动态网格和滑动网格技术,对两种转速下风轮二维绕流场进行数值模拟。获得了风轮的绕流特性以及作用于叶片与风轮的气动力与力矩,并对动态网格与滑动网格下获得的模拟结果进行了对比分析。 本文研究证明:中、低叶尖速比下流管模型能较准确的预测风力机的气动性能,高叶尖速比时流管模型计算与试验结果相差较大,须结合动态失速模型及修正方法。采用RNG k ?ε湍流模型所得NACA0018翼型气动特性最接近实验数据。应用滑动网格与动网格技术均能较真实地反映风轮绕流场特性,动态网格技术能更加确切地反映风力机的启动过程及实际运行状况。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TK83
【图文】：

接下来对风轮及叶片所受气动力进行分析和气动力方程推导。取垂直于旋转轴的剖面，叶片处相对风速如图2.1 所示。叶片弦线与旋转圆周切线夹角 β 为安装角；0V 为叶片处当地风速；TV 为叶片圆周切向速度；RV 为气流与叶片的相对速度，是0V 与TV 的合速度；0V 与弦线的夹角α 为攻角。三速度的关系可以表示为：0RTV = V V(2.1)8

图 2.1 叶片速度矢量分析 图 2.2 叶片上的空气动力若已知矢量0V 和TV ，即可确定矢量RV 以及作用于叶片的气动力。假定流过风轮的风速的速率和方向是固定的，对叶片在不同方位的速度三角形的研究表明，除了当叶素翼型的对称平面平行或近似平行于风的方向外，叶片在各个位置处的合成速度和入流角是不同的，因此其空气动力合力 F 也不一样。但是，所有位置上的叶片均产生使风轮向一个方向旋转的驱动力矩。图 2.2 是分析风轮旋转一周中，叶片在各个位置上的速度三角形。气流流过有攻角的翼型时，产生垂直于RV的升力LF ( L )和平行于RV 的阻力DF ( D )，其合力为 F 。由图 2.2 中可知所有方位角上的叶片都能产生驱动风轮的正转矩，且相对风速与翼型之间的攻角永远不会超过极限值：1max 0sin ( / )RαV V = (2.2)另一方面，由于风轮旋转时叶片有较大的切向速度，故叶片的攻角较小，气流不会失速，叶片可以获得气动力。风轮旋转过程中叶素攻角是不断变化的，所以每个叶片引起的转矩是波动的。风轮静止时，相对风速RV 和来流风速0V 一致，叶片的攻角很大，有些位置甚至大于失速攻角，使得启动转矩非常低。故 Darrieus

图 2.3 叶片随体坐标系 图 2.4 叶片受力分析首先分析单个叶片的运动，以及前面的速度三角形。为便于分析，将式(2.1)中的矢量沿叶片随体坐标系1o t 轴和1o n 轴方向分解，可得：0cos cos sinR TV α = V + Vβ θ(2.3)0sin cos cosRV α = Vβ θ(2.4)由式(2.3)和式(2.4)可得叶片的攻角及合速度00cos costancos sinTVV Vβ θαβ θ=+(2.5)2 2 2 2 20 0cos cos ( cos sin )R TV = V β θ + V + Vβ θ(2.6)将升力Lf 和阻力Df 在随体坐标系沿切向和法向分解，可得叶片的切向力tf 和法向力nf 。sin cost L Df = f α fα(2.7)cos sinn L Df = f α fα(2.8)切向力所引起的转矩( sin cos )t L Dm = f r = f α f α r(2.9)将切向力tf 和法向力nf 沿 X 轴和 Y 轴分解，可得叶片的推力xf 和侧向力yf

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本文编号：2794954